专利名称：小型物联网激光诱导击穿光谱医学传感系统及方法
技术领域：
本专利涉及一种医学传感系统，具体指一种小型物联网激光诱导击穿光谱医学传感系统及方法，它可用于物联网医学诊断。
背景技术：
随着信息技术的日益发达，物联网将广泛应用于智能交通、环境保护、政府工作、 公共安全、个人健康、平安家居等诸多领域。而物联网的支撑技术则融合了传感器技术、 RFID(射频识别)、计算机技术、通信网络技术、电子技术等多种技术。其中传感器技术是构成物联网的关键技术之一，与其他传感器相比，便携式医学传感器需求较为特殊。随着经济与社会的发展，人的健康意识、健康需求以及医疗支付能力正不断提高，使得便携医学传感器产品特别是家用便携医学传感器产品市场需求稳步扩大。目前的适用于物联网应用的医学传感器种类很少，需要新型的物联网医学传感器的加入，丰富用户的选择。基于 Laser-induced breakdown spectroscopy (简称libs)，即激光诱导击穿光谱的医学传感技术发展很快，其中采用libs效应分析人的头发、指甲等组织各种微量元素的构成及比例已成为人体健康诊断及监测的一种新型方法。但目前的libs医学分析系统体积巨大，无法适合物联网医学传感应用的要求，需要小型化系统并设计物联网医学libs信号传输及诊断方法。本专利针对新型的物联网医学传感器的需求，提出一种小型物联网激光 libs (Laser-induced breakdown spectroscopy，即激光诱导击穿光谱)医学传感系统及方法，它可用于物联网医学诊断。
发明内容
本专利的目的是提供一种小型物联网激光libs(Laser-induced breakdown spectroscopy，即激光诱导击穿光谱)医学传感系统及方法。它的光机电结构中所有供电、 控制、制冷、微机电mems光栅光谱仪、缓存、物联网身份识别、物联网数据传输功能的电子线路全部集中在微型电路系统；所有的光学元件全部集中在小型脉冲光纤激光器系统。在医学应用时由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收发器�？榉⑺拖低撑宕咄贩⒌壬镒橹恍⌒吐龀骞庀思す馄飨低臣す獾膌ibs信号至物联网服务器专家系统进行分析诊断及存储，并可通过紫蜂(ZigBee)收发器�？榻邮兆蚁低车恼锒辖峁�。本专利的有益效果是该结构提高了系统的微型化程度，满足了物联网传感器的小型化要求。本专利的技术方案是这样来实现的，首先由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收发器�？榘凑誌EEE802. 15. 4协议无线连接物联网，然后射频识别RFID�？樵冻掏瓿上低撑宕呱矸萑现ぁＮ⒖刂破�(MCU)发出启动信号至脉冲发生器，使1064nm脉冲半导体种子激光器发射单模脉冲种子激光，经信号光纤及光隔离器至泵浦/信号合束器；半导体泵浦激光器(泵浦波长915nm)发出915nm泵浦激光经泵浦光纤及泵浦保护滤波器也到达泵浦/信号合束器，种子激光与泵浦激光经泵浦/信号合束器进入掺镱石英光纤放大器，经掺镱光纤放大后至输出光隔离器输出强功率1064nm脉冲红外激光。系统佩带者的头发指甲等组织放置在支架上，被小型脉冲光纤激光器系统产生的强功率1064nm脉冲红外激光击中后，基于libs效应产生的等离子体，经光纤耦合器被一端固定的光纤收集进入微机电 (mems)光栅光谱仪，等离子体辐射信号经微型自聚集凹面闪耀光栅衍射，产生libs光谱信号。微控制器(MCU)发出启动信号至脉冲发生器的同时，启动信号经数字延迟脉冲发生器 DG535产生一微秒量级的延时至CCD驱动控制电路，以启动线阵CCD曝光libs光谱信号，该 libs光谱信号先存入CXD输出缓存器。然后由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收发器�？榉⑺虲CD输出缓存器中的libs信号至物联网服务器专家系统进行分析诊断及存储，并可通过紫蜂(ZigBee)收发器�？榻邮兆蚁低车恼锒辖峁�
图1为本专利的原理图，图中1——紫蜂ZigBee收发器�？椋�2——射频识别 RFID�？椋�3——微型电路系统；4——微控制器MCU ；5——脉冲发生器；6——泵浦激光器驱动电路及半导体制冷器；7——种子激光器驱动电路；8——1064nm脉冲半导体种子激光器；9——泵浦波长915nm的半导体泵浦激光器；10——信号光纤；11——泵浦保护滤波器； 12——泵浦光纤；13——光隔离器；14一泵浦/信号合束器；15——掺镱石英光纤放大器； 16——输出光隔离器；17——头发指甲等组织；18——小型脉冲光纤激光器系统；19—— 支架；20——等离子体；21——光纤耦合器；22——光纤；23——微机电mems光栅光谱仪； 24——光纤固定端口 ；25——线阵CCD ；26——微型自聚集凹面闪耀光栅；27——CCD驱动控制电路；28——数字延迟脉冲发生器DG535 ；29——CXD输出缓存器。
具体实施例方式本专利的原理如图1所示，整个系统包括微型电路系统3及小型脉冲光纤激光器系统18两个大部分。微型电路系统3包括物联网功能组件、微控制器MCU4、种子激光器组件、泵浦激光器组件、微机电mems光栅光谱仪23、(XD驱动控制电路27、数字延迟脉冲发生器DG535^和 C⑶输出缓存器四组成。物联网功能组件内含紫蜂ZigBee收发器�？�1和射频识别RFID�？�2 ；种子激光器组件内含脉冲发生器5、种子激光器驱动电路7及1064nm脉冲半导体种子激光器8 ；泵浦激光器组件内含泵浦激光器驱动电路及半导体制冷器6及泵浦波长915nm的半导体泵浦激光器9，该泵浦激光器功率较大，因此需要用半导体制冷器6在其工作时制冷；微机电mems 光栅光谱仪23中内含有光纤固定端口 M (可用来一端固定光纤2 、线阵CCD 25和微型自聚集凹面闪耀光栅26。小型脉冲光纤激光器系统18的工作物质为掺镱石英光纤放大器15，它由1064nm 脉冲半导体种子激光器8提供单模脉冲种子激光，泵浦波长915nm的半导体泵浦激光器9 提供泵浦激光，泵浦激光选择915nm是因为掺镱光纤在895nm到925nm范围内对泵浦吸收平坦。首先由微控制器MCU 4控制紫蜂ZigBee收发器模块1按照IEEE802. 15. 4协议无线连接物联网，然后射频识别RFID�？�2远程完成系统佩带者身份认证。微控制器MCU 4 发出启动信号至脉冲发生器5，使1064nm脉冲半导体种子激光器8发射单模脉冲种子激光， 经信号光纤10及光隔离器13至泵浦/信号合束器14 ；泵浦波长915nm的半导体泵浦激光器9发出915nm泵浦激光经泵浦光纤12及泵浦保护滤波器11也到达泵浦/信号合束器 14，种子激光与泵浦激光经泵浦/信号合束器14进入掺镱石英光纤放大器15，经掺镱光纤放大后至输出光隔离器16输出强功率1064nm脉冲红外激光。系统佩带者的头发指甲等组织17放置在支架19上，被小型脉冲光纤激光器系统 18产生的强功率1064nm脉冲红外激光击中后，基于libs效应产生的等离子体20，经光纤耦合器21被一端固定的光纤22收集进入微机电mems光栅光谱仪23，等离子体20辐射信号经微型自聚集凹面闪耀光栅沈衍射，产生libs光谱信号。微控制器MCU4发出启动信号至脉冲发生器5的同时，启动信号经数字延迟脉冲发生器DG535^产生一微秒量级的延时至CXD驱动控制电路27，以启动线阵CXD 25曝光libs 光谱信号，该libs光谱信号先存入CCD输出缓存器四。然后由微控制器MCU4控制紫蜂ZigBee收发器�？�1发送CXD输出缓存器四中的libs信号至物联网服务器专家系统进行分析诊断及存储，并可通过紫蜂ZigBee收发器�？�1接收专家系统的诊断结果。
权利要求
1.一种小型物联网激光诱导击穿光谱医学传感系统，它包括微型电路系统(3)及小型脉冲光纤激光器系统(18)两个部分，其特征在于所述的微型电路系统(3)由紫蜂ZigBee收发器�？�(1)、射频识别RFID�？�(2)、微控制器MCU、脉冲发生器(5)、泵浦激光器驱动电路及半导体制冷器(6)、种子激光器驱动电路(7)、1064nm脉冲半导体种子激光器⑶、泵浦波长915nm的半导体泵浦激光器(9)、 微机电mems光栅光谱仪^3)、CCD驱动控制电路(27)、数字延迟脉冲发生器DG535 (28)和 CCD输出缓存器09)组成，其中微机电mems光栅光谱仪中内含有光纤固定端口(M)、 线阵CCW25)和微型自聚集凹面闪耀光栅06)三部分；所述的小型脉冲光纤激光器系统(18)由信号光纤(10)、泵浦保护滤波器(11)、泵浦光纤(12)、光隔离器(13)、泵浦/信号合束器(14)、掺镱石英光纤放大器(15)和输出光隔离器(16)组成；系统首先由微控制器MCU (4)控制紫蜂ZigBee收发器�？�(1)按照IEEE802. 15. 4协议无线连接物联网，然后射频识别RFID�？�(2)远程完成系统佩带者身份认证；微控制器MCU(4)发出启动信号至脉冲发生器，使1064nm脉冲半导体种子激光器发射单模脉冲种子激光，经信号光纤及光隔离器至泵浦/信号合束器(14)；泵浦波长915nm的半导体泵浦激光器(9)发出915nm泵浦激光经泵浦光纤及泵浦保护滤波器也到达泵浦/信号合束器 (14)，种子激光与泵浦激光经泵浦/信号合束器(14)进入掺镱石英光纤放大器，经掺镱光纤放大后至输出光隔离器输出强功率1064nm脉冲红外激光；系统佩带者的头发指甲等组织放置在支架上，被小型脉冲光纤激光器系统产生的强功率1064nm脉冲红外激光击中后， 基于激光诱导击穿光谱效应产生的等离子体，经光纤耦合器被一端固定的光纤收集进入微机电mems光栅光谱仪，「等离子体辐射信号经微型自聚集凹面闪耀光栅衍射，产生激光诱导击穿光谱信号，微控制器MCU(4)发出启动信号至脉冲发生器的同时，启动信号经数字延迟脉冲发生器DG535(28)产生一微秒量级的延时至CXD驱动控制电路(27)，以启动线阵CCD曝光激光诱导击穿光谱信号，该激光诱导击穿光谱信号先存入CCD输出缓存器，然后由微控制器MCU(4)控制紫蜂ZigBee收发器�？�(1)发送CCD输出缓存器Q9)中的激光诱导击穿光谱信号至物联网服务器专家系统进行分析诊断及存储，并可通过紫蜂ZigBee 收发器�？�(1)接收专家系统的诊断结果。
2.基于权利要求1所述系统的物联网激光诱导击穿光谱信号分析及传输方法，其特征在于以下步骤1)微控制器MCU(4)控制紫蜂ZigBee收发器模块(1)无线连接物联网后，射频识别 RFID模块(2)完成系统佩带者身份认证；2)系统佩带者的头发指甲等组织(17)被小型脉冲光纤激光器系统(18)产生的强功率1064nm脉冲红外激光击中后，基于激光诱导击穿光谱效应产生的等离子体QO)被光纤 (22)收集进入微机电mems光栅光谱仪(23)，激光诱导击穿光谱信号先存入CCD输出缓存器(29)；3)由微控制器MCU(4)控制紫蜂ZigBee收发器�？�(1)发送激光诱导击穿光谱信号至物联网服务器专家系统进行分析诊断及存储，并可通过紫蜂ZigBee收发器�？�(1)接收专家系统的诊断结果。
全文摘要
本发明公开了一种小型物联网激光诱导击穿光谱医学传感系统及方法。它的光机电结构中所有供电、控制、制冷、mems光栅光谱仪、缓存、物联网身份识别、物联网数据传输功能的电子线路全部集中在微型电路系统；所有的光学元件全部集中在小型脉冲光纤激光器系统；该结构提高了系统的微型化程度，满足了物联网传感器的小型化要求。医学应用时由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收发器�？榉⑺拖低撑宕髡咄贩⒌壬镒橹恍⌒吐龀骞庀思す馄飨低臣す獾膌ibs信号至物联网服务器专家系统进行分析诊断及存储，并可通过紫蜂(ZigBee)收发器�？榻邮兆蚁低车恼锒辖峁�。
文档编号G01N21/63GK102353658SQ20111018755
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月6日 优先权日2011年7月6日
发明者万雄, 王建宇, 舒嵘 申请人:中国科学院上海技术物理研究所
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